Радиус заряда
Среднеквадратичный радиус заряда является мерой размера атомного ядра , в частности распределения протонов . Радиус протона составляет около одного фемтометра = 10. −15 метр . Его можно измерить по рассеянию электронов на ядре. Относительные изменения в среднеквадратичном распределении ядерных зарядов можно точно измерить с помощью атомной спектроскопии .
Определение
[ редактировать ]Проблема определения радиуса атомного ядра имеет некоторое сходство с проблемой определения радиуса всего атома ; ни один из них не имеет четко определенных границ. Однако основные жидкокапельные модели ядра предполагают довольно однородную плотность нуклонов, что теоретически придает ядру более узнаваемую поверхность, чем атому, причем последнее состоит из сильно размытых электронных облаков, плотность которых постепенно уменьшается по мере удаления от центра. Для отдельных протонов и нейтронов или небольших ядер понятия размера и границы могут быть менее ясными. Одиночный нуклон следует рассматривать как « ограниченный по цвету » мешок из трех валентных кварков , связывающих глюонов и так называемого «моря» пар кварк-антикварк. Кроме того, нуклон окружен пионным полем Юкавы, ответственным за сильное ядерное взаимодействие . Может быть трудно решить, включать ли окружающее мезонное поле Юкавы в размер протона или нуклона или рассматривать его как отдельную сущность.
Фундаментально важными являются реализуемые экспериментальные процедуры для измерения некоторых аспектов размера, что бы это ни значило в квантовой сфере атомов и ядер. Прежде всего, ядро можно смоделировать как сферу с положительным зарядом для интерпретации экспериментов по рассеянию электронов : электроны «видят» диапазон поперечных сечений, для которого можно взять среднее значение. Квалификация «среднеквадратичное значение» ( среднеквадратичное значение ) возникает потому, что именно поперечное сечение ядра , пропорциональное квадрату радиуса, является определяющим для рассеяния электронов.
Это определение зарядового радиуса часто применяется к составным адронам, таким как протон , нейтрон , пион или каон , которые состоят из более чем одного кварка . В случае бариона антивещества (например, антипротона) и некоторых частиц с нулевым суммарным электрическим зарядом составная частица должна моделироваться как сфера с отрицательным, а не положительным электрическим зарядом для интерпретации экспериментов по рассеянию электронов. В этих случаях квадрат зарядового радиуса частицы определяется как отрицательный, с тем же абсолютным значением, а единицы длины в квадрате равны положительному квадрату зарядового радиуса, который она имела бы, если бы она была идентична во всех других отношениях, кроме каждый кварк в частице имел противоположный электрический заряд (при этом сам радиус заряда имел значение, представляющее собой мнимое число с единицами длины). [1] Обычно, когда радиус заряда принимает мнимое числовое значение, чтобы сообщить квадрат отрицательного значения радиуса заряда, а не сам радиус заряда для частицы.
Самая известная частица с отрицательным квадратом зарядового радиуса — нейтрон . Эвристическое объяснение того, почему квадрат зарядового радиуса нейтрона отрицательен, несмотря на его общий нейтральный электрический заряд, заключается в том, что это так, потому что его отрицательно заряженные нижние кварки в среднем расположены во внешней части нейтрона, а его отрицательно заряженные нижние кварки в среднем расположены во внешней части нейтрона. положительно заряженный кварк в среднем расположен ближе к центру нейтрона. Это асимметричное распределение заряда внутри частицы приводит к небольшому отрицательному квадрату зарядового радиуса частицы в целом. Но это лишь самая простая из множества теоретических моделей, некоторые из которых более сложны, которые используются для объяснения этого свойства нейтрона. [2]
Для дейтронов и высших ядер принято различать радиус заряда рассеяния r d (полученный из данных рассеяния) и радиус заряда связанного состояния R d , который включает член Дарвина – Фолди для объяснения поведения аномальный магнитный момент в электромагнитном поле [3] [4] и который подходит для обработки спектроскопических данных. [5] Два радиуса связаны соотношением
где me λ и m d — массы электрона и дейтрона соответственно, а C — комптоновская длина волны электрона. [5] Для протона эти два радиуса одинаковы. [5]
История
[ редактировать ]Первую оценку радиуса ядерного заряда сделали Ганс Гейгер и Эрнест Марсден в 1909 году. [6] под руководством Эрнеста Резерфорда в Физических лабораториях Манчестерского университета , Великобритания. Знаменитый эксперимент включал рассеяние α-частиц фольгой золотой , причем некоторые частицы рассеивались под углами более 90°, то есть возвращались на ту же сторону фольги, что и α-источник. Резерфорд установил верхний предел радиуса золотого ядра в 34 фемтометра . [7]
Более поздние исследования обнаружили эмпирическую связь между радиусом заряда и массовым числом A > для более тяжелых ядер ( A 20):
- р ≈ р 0 А 1/3
где эмпирическую константу r 0, составляющую 1,2–1,5 Фм, можно интерпретировать как комптоновскую длину волны протона. Это дает радиус заряда ядра золота ( А = 197 ) около 7,69 фм. [8]
Современные измерения
[ редактировать ]Современные прямые измерения основаны на прецизионных измерениях энергетических уровней атомов водорода и дейтерия, а также измерениях рассеяния электронов ядрами . [9] [10] Наибольший интерес представляет знание зарядовых радиусов протонов и дейтронов , поскольку их можно сравнить со спектром атомарного водорода и дейтерия : ненулевой размер ядра вызывает сдвиг электронных энергетических уровней, который проявляется в изменении частота спектральных линий . [5] Такие сравнения являются проверкой квантовой электродинамики (КЭД).
Как данные рассеяния, так и спектроскопические данные используются для определения рекомендуемых CODATA значений среднеквадратичных зарядовых радиусов протонов и дейтронов. [11] Кроме того, спектроскопические измерения можно проводить как с обычным водородом (состоящим из протона и электрона), так и с мюонным водородом ( экзотическим атомом, состоящим из протона и отрицательного мюона). Несоответствие между измерениями радиуса заряда протона, выполненными с использованием разных методов. [12] была известна как головоломка о радиусе протона , но более поздние измерения показывают последовательные результаты. [13]
Рекомендуемые значения CODATA:
Ссылки
[ редактировать ]- ^ См., например, Абузейд и др., «Измерение K 0 Зарядовый радиус и CP, нарушающая асимметрию, вместе с поиском CP, нарушающей E1, прямое излучение фотонов в редком распаде K L → π + п − и + и − », Phys. Rev. Lett. 96:101801 (2006) DOI: 10.1103/PhysRevLett.96.101801 https://arxiv.org/abs/hep-ex/0508010 (определение того, что нейтральный каон имеет отрицательный среднеквадратичный зарядовый радиус -0,077 ± 0,007 (стат) ± 0,011 (система) фм 2 ).
- ^ См., например, Дж. Бирн, «Среднеквадратичный зарядовый радиус нейтрона», Neutron News Vol. 5, выпуск 4, с. 15-17 (1994) (сравнение различных теоретических объяснений наблюдаемого отрицательного квадрата зарядового радиуса нейтрона с данными )
- ^ Фолди, LL (1958), «Нейтрон-электронное взаимодействие», Rev. Mod. Физ. , 30 (2): 471–81, Бибкод : 1958RvMP...30..471F , doi : 10.1103/RevModPhys.30.471 .
- ^ Монах, JL; Марторелл, Дж.; Спрунг, Д.В.Л. (1997), «Размеры ядер и изотопный сдвиг», Phys. Rev. A , 56 (6): 4579–86, arXiv : nucl-th/9707016 , Bibcode : 1997PhRvA..56.4579F , doi : 10.1103/PhysRevA.56.4579 , S2CID 16441189 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Мор, Питер Дж.; Тейлор, Барри Н. (1999). «Рекомендуемые CODATA значения фундаментальных физических констант: 1998 г.» (PDF) . Журнал физических и химических справочных данных . 28 (6): 1713–1852. Бибкод : 1999JPCRD..28.1713M . дои : 10.1063/1.556049 . Архивировано из оригинала (PDF) 1 октября 2017 г.
- ^ Гейгер, Х .; Марсден, Э. (1909), «О диффузном отражении α-частиц», Proceedings of the Royal Society A , 82 (557): 495–500, Бибкод : 1909RSPSA..82..495G , doi : 10.1098/ рспа.1909.0054 .
- ^ Резерфорд, Э. (1911), «Рассеяние α- и β-частиц веществом и структура атома», Phil. Маг. , 6-я серия, 21 (125): 669–88, doi : 10.1080/14786440508637080 .
- ^ Блатт, Джон М.; Вайскопф, Виктор Ф. (1952), Теоретическая ядерная физика , Нью-Йорк: Wiley, стр. 14–16 .
- ^ Больной, Инго (2003), «О среднеквадратическом радиусе протона», Phys. Летт. B , 576 (1–2): 62–67, arXiv : nucl-ex/0310008 , Bibcode : 2003PhLB..576...62S , doi : 10.1016/j.physletb.2003.09.092 , S2CID 119339313 .
- ^ Больной, Инго; Траутманн, Дирк (1998), «О среднеквадратичном радиусе дейтрона», Nucl. Физ. A , 637 (4): 559–75, Бибкод : 1998NuPhA.637..559S , doi : 10.1016/S0375-9474(98)00334-0 .
- ^ Мор, Питер Дж.; Тейлор, Барри Н. (2005). «Рекомендуемые CODATA значения фундаментальных физических констант: 2002 г.» (PDF) . Обзоры современной физики . 77 (1): 1–107. Бибкод : 2005РвМП...77....1М . дои : 10.1103/RevModPhys.77.1 . Архивировано из оригинала (PDF) 1 октября 2017 г.
- ^ Антоньини, А.; Нез, Ф.; Шуман, К.; Амаро, Флорида; Бирабен, Ф.; Кардосо, JMR; Ковита, Д.С.; Дакс, А.; Дхаван, С.; Дипольд, М.; Фернандес, LMP; Гизен, А.; Гувеа, Алабама; Граф, Т.; Хэнш, ТВ; Инделикато, П.; Жюльен, Л.; Као, К.-Ю.; Ноулз, П.; Коттманн, Ф.; Ле Биго, Э.-О.; Лю, Ю.-В.; Лопес, ДЖЕМ; Людхова Л.; Монтейро, CMB; Мюлхаузер, Ф.; Небель, Т.; Рабиновиц, П.; Дос Сантос, JMF; Шаллер, Луизиана (2013). «Структура протона по результатам измерения частот перехода 2S-2P мюонного водорода». Наука . 339 (6118): 417–420. Бибкод : 2013Sci...339..417A . дои : 10.1126/science.1230016 . hdl : 10316/79993 . ПМИД 23349284 . S2CID 346658 .
- ^ Кастельвекки (07.11.2019). «Насколько велик протон? Загадка размеров частиц приближается к разгадке» . Природа . 575 (7782): 269–270. Бибкод : 2019Natur.575..269C . дои : 10.1038/d41586-019-03432-4 . ПМИД 31719693 . S2CID 207938065 . Проверено 4 ноября 2021 г.
- ^ «Значение CODATA 2022: среднеквадратичный радиус заряда протона» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . Май 2024 года . Проверено 18 мая 2024 г.
- ^ «Значение CODATA 2022: среднеквадратичный радиус заряда дейтрона» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . Май 2024 года . Проверено 18 мая 2024 г.
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
